（机械工程专业论文）大型特种货车刚柔耦合的仿真研究.pdf

摘要 摘要 随着计算机应用技术的飞速发展，其广度和深度已经在科学技术发展的各个领域发 挥着不可替代的重要作用，以仿真技术为代表的计算机辅助设计得到了飞跃快速的发 展，为公司铁路货车产品的设计、分析和优化提供了迅捷而有益的保障，尤其对长大特 种货车产品更是起到了关键性的作用。 本文是在总结以往刚柔耦合建模技术及经验的基础上，通过对t 4 5 0 落下孔车动力 学性能与系统内力进行分析，利用模板建模技术，建立整车5 类模板模型，进而组装成 该车的整车模型，并进行整车性能仿真分析。 通过大型刚柔耦合系统动态仿真技术在长大特货车分析过程上的应用，提出了基于 受力分析的约束处理方法和刚体等值预载法。并在整车模型的建造上，将次要部件视为 刚体，主要部件视为柔性体，并对柔性体进行受力分析，将复杂约束分为主要约束和辅 助约束两种，约束自由度完全由主要约束来确定，而辅助约束利用模态力来建立内力约 束。通过仿真，对直线和曲线线路工况包括通过特小曲线半径及空车回送，分析了各级 心盘与旁承动载荷以及旁承力对轮轨动力作用的影响，尤其对侧承梁横向稳定性与拉杆 受力情况进行了深入分析，提出了提高侧承梁横向稳定性的相应对策，确保整车各项性 能的安全性。 数据对比发现，仿真与试验情况基本吻合，说明大型刚柔耦合系统动态仿真技术准 确性高，能够较好地反映试验的真实过程。对长大特货车的动力学性能仿真分析，为公 司的设计研发提供了有利的理论支持，缩短了设计周期，避免了制造过程中和使用中的 风险，为企业的后续发展提供了强有力的保障。 关键词：长大特货车；刚柔耦合；动力学；仿真 大连交通大学工程硕十学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o nt e c h n o l o g y ，i t sb r e a d t ha n dd e p t hh a s i m p a c t e dt h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yi nv a r i o u sf i e l d s c o m p m e ra s s i s t a n t d e s i g nh a dl e a pa n df a s td e v e l o p m e n t ，s u c ha ss i m u l a t i o nt e c h n o l o g y ，w h i c hp r o v i d e daq u i c k a n du s e f u lp r o t e c t i o nf o rt h ed e s i g n 、a n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no ft h er a i l w a yf r e i g h te a r ， e s p e c i a l l yf o rl o n g - h u g es p e c i a lf r e i g h tw a g o n s t m sa r t i c l ei ss u m m i n gu pt h ep a s tr i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gm o d e l i n gt e c h n o l o g ya n d e x p e r i e n c e ，t h r o u g ht h ea n a l y s i so fd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n ds y s t e mi n t e r n a lf o r c e so ft 4 5 0 v e h i c l e s ，u s i n gt h et e m p l a t em o d e l i n gt e c h n i q u e s ，e s t a b l i s h i n gt h e5c a t e g o r yt e m p l a t em o d e l ， t h e na s s e m b l i n gt h ew h o l e - c a rm o d e la n dd o i n gs i m u l a t i o na n a l y s i so fv e h i c l ep e r f o r m a n c e t h r o u g hl a r g e s c a l er i g i d - f l e x i b l ec o u p l i n gs y s t e md y n a m i cs i m u l a t i o nt e c h n o l o g yi nt h e a n a l y s i so ft h ep r o c e s so fl o n g - h u g es p e c i a lf r e i g h tw a g o n sa p p l i c a t i o n s ，p u tf o r w a r dt h e b i n d i n ga n dr i g i de q u i v a l e n tp r e l o a d e da p p r o a c hb a s e do nt h ef o r c ea n a l y s i s i nt h e c o n s t r u c t i o no fv e h i c l em o d e l ，t h es e c o n d a r yp a r t sw i l lb er e g a r d e da sar i g i db o d y ，p r i m a r y p a r t sr e g a r d e da saf l e x i b l eb o d y c a r r y i n go u tf l e x i b l eb o d yf o r c ea n a l y s i s ，a n dd i v i d e dt h e c o m p l e xr e s t r i c t i o ni n t ot h em a i nr e s t r i c t i o na n da u x i l i a r yr e s t r i c t i o n c o n s t r a i n t - f r e e d o m d e g r e ei sd e t e r m i n e db yt h em a j o rr e s t r i c t i o nc o m p l e t e l y ，a n dt h ea u x i l i a r yr e s t r i c t i o nu s e dt h e m o d e - f o r c et oe s t a b l i s ht h ei n t e r n a l f o r c er e s t r i c t i o n t h r o u g ht h es i m u l a t i o na st h es t r a i g h t l i n e sa n dc u r v e s ，i n c l u d i n gw o r k i n gc o n d i t i o n st h r o u g hs p e c i a ls m a l lc u r v er a d i u sa n de m p t y r e t u m ，w eh a v ea n a l y s e dt h eh e a np l a t ea ta l ll e v e l sa n ds i d e - b e a r i n gd y n a m i cl o a d ，a sw e l la s t h ee f f e c to ft h es i d e b e a r i n gf o r c et ot h ew h e e l r a i ld y n a m i ce f f e c t s ，e s p e c i a l l yf o rt h e s i d e b e a rg i r d e rl a t e r a ls t a b i l i t ya n df o r c e so ft h ed r a w i n gs t a f f t h e nw ep u tf o r w a r dt h e c o u n t e r m e a s u r ei no r d e rt oi m p r o v et h el a t e r a ls t a b i l i t yo ft h es i d e - b e a rg i r d e rt oe n s u r et h e s e c u r i t yo f t h ev e h i c l ep e r f o r m a n c e t h r o u g ht h e d a t ac o n t r a s t , w ef o u n dt h a tt h es i m u l a t i o na n dt e s ti n s t a n c ew e r e i n o s c u l a t e db a s i c a l l y ，w h i c hs h o w e dt h a tt h el a r g er i g i d f l e x i b l ec o u p l i n gs y s t e md y n a m i c s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yh a dh i g ha c c u r a c ya n dc o u l dp r e f e r a b l yr e f l e c tt h et r u ec o u r s eo ft r i a l t h ed y n a m i c sp e r f o r m a n c es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h el o n g h u g es p e c i a lf r e i g h tw a g o n sh a d p r o v i d e daf a v o r a b l et h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rt h ed e s i g n 、r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tf o rt h e c o m p a n ya n ds h o r t e n e dt h ed e s i g nc y c l e ，a n da v o i d e dt h er i s ki nt h em a n u f a c t u r i n ga n du s i n g p r o c e s s ，a n dp r o v i d e dap o w e r f u lp r o t e c t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to f t h ee n t e r p r i s e k 呵w o r d s ：l o n g - h u g es p e c i a l f r e i g h tw a g o n s ；r i g i d f l e xc o u p l i n g ；d y n a m i c s ；s i m u l a t i o n i i 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者鲐魏志、孕 日期：吱卯夕年6 月汐日 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太蓬塞通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太整交通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太整塞通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太整銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：委熟志、翠 日期：莎口9 夕年莎月i o 日 导师签名 日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：齐齐哈尔轨道装备有限责任公司电话：1 3 8 4 6 2 6 2 9 8 1 通讯地址：齐齐哈尔市中华东路1 0 号邮编：1 6 1 0 0 2 电子信箱：j z h w e i 1 6 3 t o m o 日 绪论 绪论 一、大型特种货车发展综述 大型特种货车是从专用车辆发展而来，主要用于运输大型设备，大型凹底车、钳夹 车和落下孔车是大型特种货车的三大主要车型。由于特种货车的运输专业性，它已经在 现代运输中发挥了不可替代的作用，解决了世界各国大型、超大型设备的运输问题，促 进了经济的快速发展。 目前美国、德国、南非等发达国家在重载、专用长大货车研究领域居于领先地位， 国外技术性能先进的长大货车基本上都是由这些国家设计生产。德国始终在长大货车领 域，尤其是钳夹车领域，占有领先地位。德国的各型长大货车完成了许多重型设备的运 输任务，保证了其国内建设项目的顺利实施，其技术特性，如结构型式、液压均衡装置、 地板面高度、装货宽度、内导向及侧移装置、提升装置，影响着各国长大货车的技术发 展。总之，德国铁路钳夹车的先进技术特性，不仅满足了其本国机电化工设备运输的需 要，而且，由于车辆出口和技术转让，也促进了其他国家大型设备的现代化发展【l 】。美 国长大货车也是随着大型电机、变压器、轧钢机、反应器等重型超限货物日益增多的需 求而发展起来的【2 】。近些年随着发电设备的大量投资，特别是大型发电锅炉和变压器的 运输需要大大推动了长大货车的发展。 2 l 世纪前，我国长大货车共经历了3 个发展阶段。第一阶段是2 0 世纪5 0 6 0 年代， 这是我国专用车辆的起步阶段，在此期间，我国自行研制了一些较低吨位的专用货车。 第二阶段是7 0 8 0 年代，在此期间，我国吸收国外先进技术研制了一些大中型车辆。9 0 年代以来作为第三个发展阶段，在开发新型车辆的同时，对旧车进行改进，逐步与国际 水平接轨。进入2 1 世纪，特种货物运输的需求量越来越大，专用货车的发展达到了一 个新阶段【3 】。 我国特种货车的发展特点是载重大、自重低、速度逐步提高、吨位系列化和功能( 适 用性) 日益增强；向大载重、系列化方向发展，轴重、构造速度及过桥速度均有较大提 高：采用了各种技术装置，功能增强，提高了运输货物的适应性；结构设计采用了现代 设计方法，优化了结构强度和刚度，降低了车辆自重；借鉴国外经验，技术上不断进步， 突破了原有的结构形式，采用了高强度钢材；根据货源情况，改造了旧车，开发了性能 先进的新车。 经过多年的发展，我国已经基本可以独立设计各种特货车辆，但是与国际先进水平 相比，我国特种货车的设计生产和运用还是存在着一些差距。随着我国改革开放后国民 经济的迅速发展和西部大开发战略的实施，尤其是西电东输及航空航天建设等重点工程 大连交通大学t 程硕士学位论文 的相继开工，大型、超大型设备如：发电机定子、主变压器、轧钢机牌坊等大件货物日 益增加，急需大量超大型货车以满足运输的需要，为我国大型特种货车的发展带来了新 的发展机遇。 二、课题研究背景及意义 随着计算机技术的日益发展，计算机已经深入人们生活的每个角落，为工程设计、分 析和优化技术带来了全新的革命。2 0 世纪9 0 年代以来，以c a d c a e c 气m 为代表的计 算机辅助设计工具逐渐深入到了铁路机车车辆的设计过程中。数值仿真技术在现代铁路 机车车辆发展中的全面应用，使经验的、定性的、静态的传统设计方法转向为定量的、 动态的、优化的现代设计模式 4 1 。通过采用计算机辅助技术，使机车车辆开发的造型、 设计、计算、试验等各个环节联为一体。不但提高了产品零部件的设计、分析及制造能 力，更侧重于从系统层面上来分析复杂系统产品的整体质量和性能。特别是多体系统 ( m u l t i - b o d ys y s t e m ) 动力学软件的出现使得面向复杂系统层次的设计分析成为可能，机 械系统动力学分析与仿真技术的不断成熟为c a e 领域带来了全新的面貌。 在传统的产品开发设计过程中，首先是概念设计与方案论证，然后是产品设计，设 计完成后要制造物理样机进行试验，发现问题再加以改进，只有通过设计一试验一再设计 一再试验这样周而复始，最后才能定型产品。不但周期长，而且费用高，见效慢。针对 设计中出现的问题，现在可在计算机上随时修改，对不同的设计方案进行对比优化，从 而找出最佳的设计方案。不但极大的提高了设计水平和效率，降低了设计开发与制造的 成本，缩短了产品开发周期，改进了产品设计质量，而且提高了面向客户与市场需求的 能力，在激烈的市场竞争中保证了我国铁路特货运输的迅速发展。 本课题就是利用动力学仿真软件a d a m s 建立特种货车的整车模型，包括转向架、 小底架、大底架、车体四类模板模型及路谱，进行不同工况下的性能仿真，并与试验结 果进行对比分析，评价其横向稳定性、曲线通过能力及安全性指标。 三、现有研究现状及问题 机械系统动力学分析与仿真一般要经历物理模型、数学模型、问题求解和结果后处 理几个阶段，主要解决机械系统的运动学、正向动力学、逆向动力学、静平衡四种类型 的分析与仿真问题【5 1 。铁道车辆系统动力学是近代发展起来的一门以铁道车辆工程、计 算动力学和控制理论等学科为基础的新的交叉学科。基于多体系统动力学的铁道车辆系 统动力学是利用数值仿真软件在计算机中构造虚拟现实环境，通过对车辆系统进行合理 抽象，建立车辆系统动力学模型，描述轨道车辆系统结构之间的几何关系，运动关系 和约束关系，对系统进行运动学和动力学分析，从而研究车辆动力学性能，改进车辆的 2 绪论 结构设计，优化车辆的结构参数。车辆系统动力学的数值仿真模型主要有车辆模型、轮 轨接触模型和线性模型三部分。它的主要任务是建立车辆最有利的运行条件【6 】： 1 保证车辆的安全稳定性，以提高线路通过能力，充分发挥铁路运输效率； 2 保证车辆具有良好的运行平稳性，减轻旅客疲劳和减少货物与车辆构件的损坏； 3 保证车辆较小的运行阻力，以充分利用动力能量和降低零部件的磨耗。 2 0 0 3 年，从在日本举行的国际车辆系统动力学学会( i a v s d ) 第1 8 届学术大会来看， 目前国际上有关铁道车辆系统动力学的研究重点主要集中在车辆曲线通过性能、车辆运 动的稳定性及车辆轨道相互作用( 轮轨作用) 三个方面。除此之外，在车辆悬挂、弓网 动力学和空气动力学等研究领域也有一些研究成果。曲线通过性能研究可归纳为两个方 面：改进转向架结构( 如在轮对间加设连接机构) ；采用主动导向控制技术，以实现在不 降低车辆运行稳定性的前提下提高曲线通过性能。日本学者提出了“主动导向转向架 的概念以减小车轮横向力，来提高曲线通过能力；英国的s w s h e n 开展的转向架主动 导向控制研究和日本东京的y s u d a 提出的轮轨摩擦控制器策略也都是提高曲线通过能 力的方法；瑞士b o m b a r d i e r 研究了耦合轮对机车转向架及其稳定性优化问题，试图解决 曲线通过与稳定性的关系；美国运输中心的h w u 则主要研究了转向架心盘对于稳定性 的影响，不同的运输条件，心盘摩擦起的作用是不一样的。而对于车辆运动稳定性的研 究主要还是以理论研究为主，但出现了一些新观点，如曲线上的运动稳定性、轨道体系对 车辆运动稳定性的影响等。丹麦和澳大利亚的研究人员就主要研究了斜楔干摩擦和干摩 擦悬挂对动力学的影响；德国的j a m o l d 和波兰的k z b o i n s k i 则分别探讨了车轮弹性和 车辆在曲线轨道上的运动稳定性问题。车辆轨道( 轮轨) 相互作用一直是铁路车辆系统动 力学领域的研究热点之一，近年来该专题的研究可归纳为2 个方面：一是发展更为完整的 车辆轨道相互作用模型；二是结合铁路轮轨运输中出现的实际接触问题( 如滚动接触疲 劳问题) ，采用车辆动力学仿真的分析研究手段提供理论解释及解决途径。瑞典的 j c o n i e l s e n 重点讨论了轮轨作用及不规则磨耗机理方面；日本专家则考虑了线型对轨 道动力学的影响；此外英、法、南非等国的研究人员分别研究了轮轨接触疲劳问题、接 触斑求解问题和大轴重条件下的踏面磨耗及接触疲劳问题。我国西南交通大学的翟婉明 教授等开展了列车轨道桥梁系统动力学仿真研究，成果显著【7 1 。 针对动力学仿真易出现的车辆蛇形失稳、垂向振动加速度超标、车体扭曲等问题， 由于转向架作为车辆的行走部件，对运行性能的影响非常大，所以一般将其作为优化车 辆动力学性能的主要考虑因素。目前转向架的优化主要围绕以下几个方面【8 】： 3 大连交通大学工程硕士学位论文 ( 1 ) 转向架的抗菱刚度。交叉支撑转向架的抗菱刚度主要取决于交叉支撑装置的技 术状态以及斜楔与摇枕、侧架之间的组装配合情况。若抗菱刚度过低，则导致车辆临界速 度下降，运行平稳性变差。 ( 2 ) 转向架的回转阻力矩。交叉支撑转向架的回转阻力矩等于常接触弹性旁承的摩 擦力矩和心盘摩擦力矩之和。稳定而适当的回转阻力矩能抑制车体与转向架的摇头运动， 从而提高车辆的运行平稳性和临界速度。 ( 3 ) 转向架的正位状态及其他参数。转向架的正位状态用4 个导框中心所构成的2 个对角线长度之差来衡量。差值小则转向架正位状态好，可防止其出现菱形变形和轮缘偏 磨，提高运行平稳性和脱轨稳定性。减振装置的相对摩擦因数和两级刚度弹簧自由高差对 运行平稳性也有较大影响。 四、课题研究内容 根据铁道部科技研究开发计划课题合同( 编号2 0 0 5 j 0 3 5 ) 的安排，齐车公司研制了 载重4 5 0 t 落下孔车，以满足目前5 m 、5 5 m 轧机牌坊的运输要求。为此，大连交通大 学对齐车公司研制的该车整车动力学系统建立了刚柔混合模型，并针对直线和曲线线路 工况，分析各级心盘与旁承动载荷、侧承梁横向稳定性与拉杆受力、以及旁承力对轮轨 动力作用的影响。 根据齐车公司提出的要求，确定以下三个主要线路工况： 曲 蛊 - _ 占 、_ o5 01 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 4 5 0 里程( m ) 图ls r l 8 0 线路的曲率变化 f i g 1c u r v a t u r ec h a n g i n go f t h es r l 8 0 ( 1 ) s r l 8 0 m 厂内曲线，见图1 - 1 ，v = 1 0 k m h 。 4 绪论 ( 2 ) s r 3 0 0 m 曲线，圆曲线1 4 0 m m 超高，见图1 - 2 ，v = 3 0 k m h 。 ( 3 ) 直线运行，重载v = 6 0 k m h ，空载v = 1 2 0 k m h 。 曲 率 一 手 、， 、 超 高 里程( m ) 图2s r 3 0 0 线路的曲率超高变化 f i g 2c u r v a t u r e e x c e e d i n gh i g hc h a n g i n go ft h es r 3 0 0 5 大连交通大学工程硕士学位论文 第一章车辆动力学 车辆动力学性能研究有三大指标：运动稳定性、运动平稳性和曲线通过能力，这是 评价高速车辆性能的关键。现阶段关于铁道车辆的动力学性能分析主要集中在转向架的 性能研究上。转向架是铁道车辆最基本的部件，是保证车辆运行稳定和安全的首要研究 对象。因此要获得更高的运行速度，必须对转向架的横向动力学性能进行分析。本章就 是介绍转向架的动力学理论及影响其性能的各种非线性因素和解决方案。 1 1 转向架的蛇形运动 铁道车辆的横向动力学主要由转向架的特性所决定，线路对横向振动系统的激扰， 主要由车辆转向架的蛇形运动所引起的。铁道车辆在直线轨道上运行时的内在特征就是 要发生自激振动，称为蛇形运动。蛇形运动引起过度的磨耗、线路的损坏和疲劳破坏。 运行速度越高，振动越剧烈，一方面引起车辆的横向振动，另一方面引起车辆倾覆和脱 轨的危险。 通常可以观察到两种模式的蛇形运动【9 】，即车体蛇形运动和转向架蛇形运动。车体 蛇形运动称为一次蛇形，是在有限的速度范围内发生的，是车体与转向架紧密地耦合运 动，表现为剧烈的车体横向和摇头振动。在车体运动中具有足够的减振阻尼便可消除一 次蛇形。转向架蛇形运动称为二次蛇形，在超过一定的临界速度时发生，其特征是转向 架相对于车体作剧烈的振动，蛇形运动一旦开始，则随着速度的提高而更加恶化。 因为蛇形运动为极限环型的非线性现象，在运动的动力学方程中出现的某些非线性 因烈1 0 】会严重影响转向架的蛇形临界速度。像车轮踏面形状、非线性悬挂参数及转向架 结构等都会影响转向架的二次蛇形运动。 1 1 1 轮轨接触的非线性 铁路货车现在基本都是靠轮对沿着轨道运行的，轮轨接触【l 几何关系及轮轨之间的 相互作用对其运行的性能有重要影响。轮轨接触几何关系的重要性在于它是车辆系统与 轨道系统之间的连接纽带，其计算精度直接影响车辆动力学或车辆一轨道耦合动力学仿 真计算结果的可靠性。车辆系统的线性化动力学分析中，常常采用“等效锥度”、“等 效轮轨接触角系数”、“侧滚角系数等参数使轮轨接触关系线性化。但是当锥形轮对 出现较大的横移时，轮缘就可能接近或贴靠在钢轨上，呈现出明显的非线性关系。 车辆在轨道上运行时，轮对相对于轨道作横向运动和侧滚运动，在不同的横向位移 和侧滚位移条件下，左右轮轨之间的接触点位置不同，轮轨之间的接触参数也相应变化。 而这些参数在研究机车车辆运行动力学时是必不可少的。轮轨接触几何参数包括： 6 ! ! 兰三篓警触角，即轮轨接触面与轮对中心线的夹角吮和磊( 吮 0 和昧 0 ，( 夕) r ，夕= 0 = 一f o ，夕 0 冗 r r 图1 6 库仑摩擦元件 f i g 1 6c o m p o n e n tw i t hc o u l o m bf r i c t i o n k 夕 ；。 一 jl i 1 y l 7 l 图1 7 硬化软化元件 f i g 1 7h a r d e n i n g s o f t e n i n gc o m p o n e n t y 其中：以为死区范围之半，k ，为弹簧刚度或阻尼系数，y 为相对位移或速度，f ( y ) 则为力或力矩，k l 和七2 表示刚度的分段线性化，y 。为k l 的适用范围。 1 2 第一章车辆动力学 货车车辆的横向稳定性具有特殊的自激振动意义，它是由轮轨接触过程和摩擦作用 所决定的。从车辆动力学分析角度，摩擦作用具有如下三个特点：摩擦阻尼、摩擦减振 和摩擦激振。 根据机械振动理论l l 副，具有干摩擦作用的系统一般称为大阻尼系统，即系统对外界 位移输入的响应是随着时间逐步衰减的过程。在临界阻尼条件下，其衰减时间最短。利 用斜楔和承载鞍的这一摩擦阻尼作用，可以提高轮对相对运动刚度( 如抗菱和抗剪刚 度) ，也就是说，通过增大摩擦蠕滑系数来衰减重要摩擦面( 如斜楔和承载鞍) 的横向 蠕动，进而达到提高临界速度的目的。 摩擦阻尼是指干摩擦系统的大阻尼作用，有助于增强轮对纵横向定位刚度，以达到 提高临界速度的目的。动摩擦力是运动系统的一种特殊的非线性阻力，其方向总是与运 动方向相反，有助于振幅衰减，故此称为摩擦减振。横向和垂向斜楔摩擦减振力正是基 于这一特点建立的。摩擦激振是静摩擦和动摩擦的过渡过程快速重复出现时，车辆系统 过早发生横向失稳现象。 但是，由于静摩擦与动摩擦之间过渡的非线性，摩擦力具有另外一个负面作用，即 摩擦激振。当静摩擦所带来的大阻尼作用“突然消失，摩擦力的性质也就转化为相对 比较小的阻力作用。可以想象在车速超过临界速度时，如斜楔和承载鞍摩擦面，横向蠕 动与横向振动不断转换很难稳定下来，轮对蛇行振动也就很难避免。同理，垂向斜楔摩 擦减振也要处理好静摩擦与动摩擦之间的关系，以避免与车体结构的动力学耦合。 本章小结 本节主要介绍了影响车辆动力学性能的一些非线性要素，并就此提出了在建模过程 中该问题的处理方法。正确的处理好这些非线性问题对车辆性能的影响是建模及仿真结 果准确的保证，为后续分析工作奠定了基础。 大连交通大学工程硕士学位论文 第二章刚柔耦合动力学 在车辆动力学仿真研究中，刚柔耦合是具有广泛应用前景的发展方向之一，也是多 体动力学与结构动力学的典型协同仿真问题。在模态综合法中，子结构间交界面运动特 征是单一的，而在多体系统中，柔性体的约束作用是复杂的。因此柔性体集成规模和计 算精度一直是刚柔耦合仿真应用的难题之一。为了达到多领域协同仿真工程要求，大型 刚柔耦合动态仿真必须应用结构动力学相关概念原理，以解决好如下三层次内涵的柔性 体接口处理技术：( 1 ) 约束与模态；( 2 ) 模态力与预载；( 3 ) 惯性耦合与模态截取。 刚柔耦合是指刚体运动模态与柔性体振动模态之间的惯性耦合，是多体动力学与结 构动力学协同仿真的典型问题，而柔性体接口技术( 约束处理与模态截取) 是刚柔耦合 系统的首要问题和技术难点。下面结合本课题的研究内容，阐述多体系统动力学中的刚 柔耦合动力学相关内容。 2 1 约束与模态 在固定交界面法中，令子结构r 交界面完全固定，并建立如下模态矩阵： 【】，= 【i no l c 】( 2 1 ) 式中：m i n 为主模态矩阵，西i c 为约束模态矩阵，其可以通过静态平衡关系求得【1 6 1 。 这里提出了如下两个概念：主模态q n 是交界面完全固定时所对应的固有模态( 帆0 ) ，其 与内部自由度u i 一一对应；而约束模态q c 是指依次释放每一个边界自由度，使其产生单 位位移而形成的静位移分布所构成的静态模态佃c = o ) ，约束模态q c 与约束自由度u b 一一 对应，则有： 搬= ( ：j ； 乏爿”锄 亿2 ， 式中i ，0 分别是单位阵和零矩阵。利用上述模态矩阵西进行刚度和质量阵的第一次 坐标变换( 即所谓静凝聚) ，得到如下对应于新坐标系的广义刚度阵和广义质量阵： k = 矿鼬：i 酝0i l0 垂一 ( 2 3 _ ) m = 秽m 毋：lm m 磁l l 赵搿辫划 ( 2 4 ) 由此可见：( 1 ) 内部自由度所对应的对角阵( m n n ，k n n ) 是固有模态的质量阵和刚度阵； ( 2 ) 固有模态与约束模态之间不存在刚度耦合，但具有惯性耦合。 通过求解如下特征值问题： 1 4 第二章刚柔耦合动力学 k 哦m q( 2 5 ) 得到由特征向量构成的转换矩阵n ，并进行如下正则化模态q 幸变换，即二次坐标交换： n q 掌= q ( 2 6 ) 于是，式( 2 2 ) 改写成： u = q = n q 母= 木q ( 2 7 ) 式中m 牛，q 宰分别为正则化模态矩阵和坐标。 为了满足柔性体约束作用要求，在柔性体与多体系统进行集成时，上述两个模态子 集要进行正则化处理以达到如下两个目的：( 1 ) 主模态由柔性体的无约束特征向量近似 取代，其中六个刚体运动模态被剔除，由多体系统的运动驱动取代；( 2 ) 所有正则化的 模态都获得了相应的模态频率，即约束模态分解成一系列高阶模态振动。在向相临节点 的传播过程中，这些高阶约束模态的振动一般由结构阻尼湮灭。如在弓网接触中，接触 线只在受电弓弓头接触处形成局部非线性变形，其高频振动成分在沿接触线传播过程中 由结构阻尼湮灭。 在结构动力学的c m s 方法中，子结构间一般为弱耦合关系，因而将正则化后的约束 模态称为特征约束模态1 7 1 。由于它们反映了子结构间交界面运动特征，可以将其截取， 以简化c m s 模型。在多体动力学中，首先，柔性体接口界面是指柔性体与其他构件间的 几何约束和内力约束，其运动特征主要指在几何约束作用下所形成的静态变形特征。约 束条件越复杂，静态变形也越复杂；其次，正则化后的约束模态和固有模态相互混杂， 使柔性体构件失去了准静态和动态行为间的区分特征【1 8 】，如在四连杆机构运动过程中， 很难区分柔性连杆的静态变形与一阶、二阶弯曲模态变形；最后，柔性体约束作用要求 只有利用包括这些特征约束模态的模态迭加才能得到满足。所以，正则化后的任一高阶 模态截取都会带来刚柔耦合仿真精度问题，如挠度变形和模态力。 2 2 模态力与预载 在广义空间内，力或力矩是通过标记点作用于柔性体上的，标记点是具有空间坐标 和方向的柔性体刚化节点( 或称为主节点) 。在全局坐标下定义的力或力矩，通过坐标 转换矩阵得到广义力或力矩p ( 包括内力和外力) ，然后再通过模态矩阵转化为模态力， 即： f = o 幸t p ( 2 8 ) 但是，只有在作用点固定的前提下才能实现上述力或力矩到模态力的转换。 模态力具有如下的一般定义形式： y ( o , o = ，器( o , o t ( 2 9 ) 1 5 大连交通大学丁程硕士学位论文 式中：，为第1 阶模态力单位矢量，j ，t ) 为第1 阶模态力标量函数，o 为任意多体 系统状态变量。这一模态力一般定义形式解决了固定作用点广义力或力矩到模态力动态 转换的问题( 大小和方向) ，为柔性体内力约束建立提供了依据。 预载是柔性体约束作用( 几何约束和内力约束) 所施加的内力，并使其与工作载荷 平衡，达到所要求的载荷工况条件。在有限元分析环境中，柔性体特征值问题的解应当 是在特定工作点( 重载或空载) 条件下得到的。由于柔性体预载变形，如车辆定距和旁 承间隙等发生了变化，通常的多体系统预载分析方法已经不再适用，为此，提出了如下 两种预载方法：( 1 ) 刚性等值预载法，即以刚性车体模型对走行部进行预载分析，然后 通过约束内力使车体柔性构件达到重载工况；( 2 ) 刚性耦合预载法，即将柔性体惯性耦 合方式设为刚性耦合，然后利用常规预载方法进行预载分析，并在动态仿真之前将柔性 体惯性耦合方式设为部分动态耦合。 对于大尺寸柔性体构件，预变形比较大，推荐采用刚性等值预载法。一般柔性体构 件可采用刚性耦合预载法，在接近于稳态时亦可达到预变形。 2 3 惯性耦合与模态截取 柔性体运动方程可以由如下形式的拉格朗日方程推导得到： 未固一丧+ 繁+ 期t = 0 0 d f o 芒一a 害+ 菇+ la 习 。q 2 i 职f ，0 - 0 f 2 1 0 ) 式中：壬，( 芎，t ) 为完整约束；芎为柔性体广义坐标，包括位移坐标x 、欧拉角坐标q 和 模态坐标q 幸，即亏= 【x q q 枣】。；q 为包括有势力在内的广义力；l 为拉格朗日函数，即动能 与势能之差，l 剥；九为待定因子。 f 2j q 。酗 ( 2 11 ) 式中：f 为如下形式的逸散函数，d 为瑞利阻尼矩阵。 2 3 1 刚柔耦合方式 根据动能定义和多体运动学知识，得到如下动能表达式【1 9 】： 2 l = f t m ( o 善 其中，质量阵写成9 个( 3 3 ) 矩阵形式： | - m wm 打m 庸 m ( d ：fm ：m ，m 。i lm ：m 二 m ，j 1 6 ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 第二章刚柔耦合动力学 式中t ，r ，m 分别为位移、转动和模态自由度。 根据质量阵的定义形式，有如下四种刚柔惯性耦合方式：( 1 ) 刚性耦合，即将模态 质量设为零，柔性体象刚体一样参与多体系统运动；( 2 ) 静态耦合，即柔性体变形与其 他刚体运动不相互耦合，也就是说，柔性体惯性属性不受其变形的影响；( 3 ) 部分动态 耦合，即不考虑柔性体惯性张量的二次修正项以节省计算机时：( 4 ) 全动态耦合，考虑 全部惯性耦合以获得精确解，但计算时间很大。对于常规的刚柔耦合仿真分析，一般采 用部分动态耦合方式；而对于高速动力耦合系统，如转子动力学的刚柔耦合问题等，则 需要采用全动态耦合方式，同时为了回避动力刚化问题【2 0 1 ，应当将叶片进行合理分段， 并应用子结构法构成叶片柔性体组合模型。 2 3 2 内力约束 式( 2 。1 3 ) 整理后得到： 孵+ kl 翱t 扣砭 孙- - 亿。舢 式 f g 为柔性体重力。 由待定因子九引入约束力项，其大小取决于几何约束条件、壬，的运动协调性和稳定性， 直接关系到多体系统刚度问题。另一方面，为了缩减柔性体的集成规模，应当适当减小 约束自由度的数耳，因此将柔性体实际约束划分为主要约束和辅助约束两类。 对于主要约束，其约束内力在式( 2 1 4 ) 中由待定因子九直接引入；对于辅助约束，利 用弹性内力约束实现，其约束内力在式( 2 1 4 ) 中被看作柔性体所受到的有势力，即为q 的 一部分。 2 3 3 模态截取 根据研究问题( 如动力耦合或乘坐质量) 的需要，对刚体运动模态和柔性体振动模 态之间惯性耦合要提出频域空间要求，即高阶模态截取。由于高阶模态截取会形成如下 形式的残余力： q 。q 【q 宰1 r1 f( 2 1 5 ) 其对应的柔性体变形部分称为残余变形。 高阶固有模态截取目前尚无一定规律可循，一般要从如下两个方面进行尝试性截 取：在期望工况下柔性体可能产生的变形，同时这变形应当满足过约束条件。由于内 力约束的采用可以减少或消除过约束条件，高阶固有模态截取被赋予很大的主动性。值 得推荐的是，为了满足模态力的精度要求，应尽可能多地保留固有模态。 由式( 2 1 4 ) 的阻尼项可知，在多体系统的一般运动状态下有足够阻尼作用湮灭高阶 1 7 大连交通大学工程硕士学位论文 模态振动。同时，通过缩短积分求解器输出步长，可以提高对高频成分的仿真精度。因 此，保留柔性体正则化后的高阶模态不仅不会影响多体系统的稳定性，还能够使动约束 力获得较好精度，这将有利于柔性体后处理的分析工作。 综上所述，刚柔耦合系统存在如下特殊性：( 1 ) 柔性体接口界面所形成的静态变形 比较复杂，而且特征约束模态已经不再具有区分柔性体准静态行为的特征；( 2 ) 弹性振 动模态是柔性体在预载变形下求得的，其与刚体运动模态间存在惯性耦合，因此系统刚 度问题比较突出；( 3 ) 模态力计算精度取决于高阶模态截取，如将体现局部约束变形特 征的高阶模态截取掉，则出现较大的残余力。 2 4 侧承梁柔性体接口处理技术 柔性体受力分析与约束处理复杂，柔性体受力分析是建立刚柔耦合模型的重要基础 工作之一。 2 4 1 侧承梁柔性体接口界面的复杂性 在大型结构动力学分析中，特征约束模态的适当截取比较合理地解决了 c r a i g - b a m p t o n 方法所遗留的求解规模与计算精度问题。相反，在大型刚柔耦合仿真中， 当柔性体存在较大的非结构质量或联结铰中存在较大的动约束力时，必须选取较多的正 则模态( 特别是高阶模态) 来描述柔性体的变形，这使得模态矩阵维数和广义坐标数目 增大，不利于动力学仿真【2 0 】。 根据结构动力学有关子结构模态综合法的概念原理，子结构有两个模态子集：约束 模态和固有模态( 也称为主模态) ，见图2 1 。固有模态是交界面完全固定时所对应的 固有振动模态，固有模态与内部自由度一一对应；而约束模态是指依次释放每一个边界 自由度，使其产生单位位移而形成的静位移分布所构成的静态模态，约束模态与约束自 由度一一对应。依照静平衡原理，进行第一次坐标变换实现所谓的静凝聚。在第二次坐 标变换( 正则化处理) 后，固有模态取代无约束特征向量近似取代，其中6 个刚体模态 可以剔除，正则化后的约束模态称为特征约束模态，因为其反映了子结构交界面的运动 特征。 根据子结构交界面协调条件所建立的模态综合模型，见图2 2 ，子结构间一般为弱 耦合关系，交界面运动特征比较单一。但是，仅从侧承梁端部约束来看，见图2 3 ，柔 性体界面约束和静态变形是非常复杂的。因此，为了缩减柔性体集成规模，采用结构动 力学的常规方案是不可行的。 1 8 第二章刚柔耦合动力学 图2 1 子结构的约束模态与固有模态 f i g 2 1r e s t r i c t e dm o d ea n di n h e r e n c ym o d eo f t h es e e df r a m e w o r k 图2 。2 子结构交界面 f i g 2 2m a r c h i n gi n t e r f a c eo f t h es e e df r a m e w o r k 立销 盯徽 侧承粱 ) l 调 大 等 宽 枕 分 栏 梁 杆 杆 活动心盘 ! 导向锗r) 群 导向粱 一 ， 图2 3 侧承梁端部约束 f i g 2 3e n dr e s t r i c t i o no f t h es i d e - b e 撕n gg i r d e r 2 4 2 侧承梁柔性体接口处理 在多次刚柔耦合仿真的工程实践基础上，提出了如下柔性体接口处理技术方法： 1 9 大连变通大学工程硕士学位论文 f 1 ) 根据端部约束条件，将如下约束作为主要约束，以几何约束形式建立：等分杆 ( x y - z 为约束自由度) ：枢轴( x z 和绕x - 绕y 约束，y 和绕z 方向定义摩擦力) 。 而将调宽拉杆和侧承梁问的三组拉杆作为辅助约束，以弹性内力约束建立。 ( 2 ) 对于侧承梁柔性体，主要约束自由度( 3 + 2 ) x 2 = 1 0 ，约束模态数目为1 0 。根据侧 承粱可能发生的复杂局部变形情况选取前5 0 阶固有模态，其中，一阶横向弯曲19 3 h z 、 二阶横向弯曲43 7 h z 、三阶横向弯曲83 5 h z 、。 (